桐柏抽水蓄能电站地下厂房结构静、动力分析与设计

桐柏抽水蓄能电站地下厂房结构静、动力分析与设计

黄可

国家电力公司华东勘测设计研究院

摘要：桐柏抽水蓄能电站安装4台单机容量为300MW的单级可逆式水泵水轮发电机组，最大设计内压420m水头。工程具有机组频率相对较低，对结构振幅控制要求较高等特点，针对这些特点，结合工程实际，采取了一些切实可行的工程措施，并通过地下厂房结构三维有限元静、动力分析方法加以修正，较好地完成了结构设计。

关键词：地下厂房动力计算静力计算结构设计桐柏抽水蓄能电站

1 概述

桐柏抽水蓄能电站总装机容量为1200MW，安装4台单机容量为300MW的单级可逆式水泵水轮发电机组，最大设计内压420m水头。水轮机转轮拆卸方式为上拆，机组采用半伞式结构。动荷载作用频率正常工况为5Hz，飞逸工况为7.75Hz。工程具有机组频率相对较低，对结构振幅控制要求较高等特点。我们结合工程进度，根据结构特点，建立了多个计算模型对关键的异型结构（如尾水管、蜗壳）进行了三维有限元静力计算，利用分析结果验证结构的可靠性，指导结构设计与配筋设计。

在地下厂房结构抗振、减振设计中，首先必须进行振源控制，在设计、制造和安装阶段均应对振源的各项关键参数予以严格要求与控制。如对于300r/min的机组，厂家的资料显示发电电动机自然频率与尾水管涡带频率较接近，因此在机组招标过程中，就对发电电动机的自振频率和水轮机工况下尾水管的典型涡带频率避开宽度提出要求，在有关合同中，规定供方应有效地防止机组和水力系统中的水力共振，并应满足需方要求的机组性能保证值。

通过对已建和在建抽水蓄能电站厂房机组、结构特性的调查研究，比较各工程结构抗振型式的优缺点，结合桐柏工程的特点，进行地下厂房抗振结构初步设计。利用地下厂房整体三维有限元模型对机组和支撑结构的动力特性进行系统分析，采取合理的结构型式和切实可行的工程措施来解决厂房振动问题，以满足地下厂房抗振要求。

桐柏工程地下厂房结构三维有限元静、动力计算均委托武汉大学完成。

2 尾水管外包混凝土结构静力分析与设计

桐柏尾水管钢衬和外包混凝土组成了一个联合受力结构，尾水管钢衬较薄（16～22mm），内孔形状变化较大，过渡段呈扁平状，内水压力较大（1.3Mpa）。

2.1 计算模型及边界条件

图1为尾水管外包混凝土计算的有限元网格图，计算中考虑钢衬的作用，钢衬厚度按实际厚度分布确定，并增加0.5mm厚度作为适当考虑钢衬肋板的作用，尾水管钢衬和外包混凝土之间不考虑间隙存在。在计算模型的底部，上下游面与岩基连结处施加约束，相邻机组段之间分缝，不设约束。

2.2 成果分析

在内水压力作用下，尾水管孔洞周围混凝土结构的大部分区域处于受拉状态。分布规律为：左右两侧拉应力大，上下拉应力小，甚至为压应力；孔洞周边应力最大，距离孔洞一定距离之后，拉

应力迅速减小。拉应力最大值达到1.9MPa，钢衬中最大Misses应力约为15MPa，远远小于钢材的容许强度。计算表明，外包混凝土承受了主要的内水压力，尾水管钢衬所承受的部分不到1/5。

图1 尾水管结构计算网格模型

在放空条件下，考虑尾水管钢衬和外包混凝土联合受力，整个结构仅承担自重及外部荷载，尾水管混凝土结构上的拉应力及压应力均不大，在强度容许范围内。孔洞周边的最大压应力值约为2.0Mpa，远小于钢材的容许强度。

综合各工况的计算结果可以认为：尾水管区段的结构设计是合理的，钢衬及外包混凝土的最大应力值均在设计允许范围内，孔洞周围加强配筋后尾水管结构是安全的。

3 蜗壳外包混凝土结构静力分析与设计

3.1 选择合适的蜗壳打压比率

为使蜗壳外包混凝土有效吸收机组振动，我国近几年已建抽水蓄能电站都采用“加压预埋”的方式，选择合理的打压比率，既可以达到金属蜗壳与外包混凝土联合受力，消减机组振动，同时又不致传给外包混凝土过大的水压力，引起混凝土开裂，保证结构设计安全可靠。

桐柏蜗壳钢衬与外包混凝土之间不设垫层；在蜗壳充水打压到2.1MPa稳压时，浇筑蜗壳混凝土。即在运行时，内水压力达到2.1MPa（0.5倍的最大工作水头，0.74倍正常工作水头）前，由钢衬单独承载，达到2.1MPa后，才由钢衬与混凝土联合承载。

3.2 计算模型

图2为蜗壳局部计算网格，计算模型边界条件同尾水管结构计算模型。采用高精度+结点四面体元模拟外包混凝土，用四结点板壳模拟钢衬，混凝土单元与钢衬单元之间的网格不考虑协调，采用接触条件进行连接。

3.3 结果分析

σ在各工况的各截面上基本上蜗壳外包混凝土在各截面的径向应力分析图可以看到，径向应力

r

是压应力。混凝土最大压应力值为2.7MPa。在截面开口处，即支撑环附近有局部的拉应力。从蜗壳外包混凝土在各截面的环向应力分布图可以看到，蜗壳孔洞周围环向应力基本上是拉应力。最大的局部拉应力达3.6MPa，但范围很小。蜗壳外包混凝土在支撑环处的径向厚度是变化的，在混凝土较

薄处，环向拉应力值较高，由于在计算模型中没有考虑支撑环（Stay ring）钢结构部分的刚度，实际上支撑环附近混凝土应力值小于计算值。图3为蜗壳外包混凝土典型断面环向应力图。

图 2 蜗壳局部计算网格

图 3 蜗壳外包混凝土典型断面环向应力图

计算结果表明，充水打压预加的水压力值稳定在2.1MPa时，钢衬内Mises应力在70～140MPa 范围内，（局部的应力集中是由于计算模型中没有考虑支撑环的作用所致）。在各个工况下，钢衬部分的Mises应力均小于80MPa（未计入预加水压力2.1MPa时的Mises应力）。

从各工况的计算结果看，在机组运行时，座环、蜗壳与大体积混凝土已形成一个整体来受力，增加了机组基础的刚度，蜗壳钢衬的整体变形中的扭转变形得到抑制，这对于减少机组振动是有利的。

4 结构动力分析及设计

桐柏地下厂房采用一机一缝的布置型式，它不仅受力明确，动力分析简单，而且在抽水蓄能电站运行工况复杂，起、停频繁的条件下，能避免由于机组相互干扰引起动力响应幅值增大，对结构产生不利的影响。

楼板结构可以采用厚板结构或板梁结构，厚板结构具有便于施工和风、水、电管路布置等优点。但从抗振角度考虑，板梁结构型式较厚板结构更为经济有利。为此，我们专门进行了厚板结构与板梁结构的振动性能比较，桐柏地下厂房楼板平均厚度在500～700mm之间，主梁断面800×1500mm（宽×高）。经计算，桐柏工程现布置的梁系按混凝土质量等效与89.1cm的厚板相当，按静力等效与113cm 的厚板相当，按振动性能等效与132cm的厚板相当。经方案比较，综合考虑空间利用和经济性，最终采用板梁结构布置型式。通过合理布置梁、柱，对楼板端部进行约束，主动控制振幅，可有效提高结构抗振性能。

一般来讲，要提高结构的抗振特性，应尽可能提高结构的刚度。对地下厂房结构来说，最有效措施是充分利用围岩的巨大刚度，将振动能量传给围岩。为此，在设计中，使蜗壳外包混凝土下游侧靠围岩布置，在厂房上下游边墙柱轴线位置布置一排锚杆（锚杆参数为：φ25，间距 1.5m），以加强结构和围岩的连接。

计算表明，不考虑楼板和岩层之间的粘接力时，正常工况结构自振频率符合《水电站厂房设计规范SL266-2001》的共振校核要求。飞逸工况时，共振校核不满足要求，需采取合理的工程措施保证楼板和岩层之间的粘接力。

4.1 结构振型与频率特性分析

地下厂房动力分析最终计算模型包括4#机组的发电机层及以下各层楼板、风罩、机墩、蜗壳混凝土结构；机墩、蜗壳等大体积混凝土部分采用实体元，柱子、楼板采用梁与板单元。取前十五阶振型与频率的结果进行分析，前十五阶频率结果见表1，图4为地下厂房动力计算模型的第一阶根型图（4#机组）。

表1 前十五阶频率表单位Hz 频率顺序 1 2 3 4 5 6 7

频率12.955 14.904 15.141 15.695 16.782 17.608 18.768 续表1

频率顺序8 9 10 11 12 13 14 15 频率18.399 18.688 19.42 20.464 21.64 22.1 22.3 23.20 考虑楼板和岩层之间的粘接力时结构自振频率符合《水电站厂房设计规范SL266-2001》的共振校核的要求：